Influence of repeated impact on damage growth in fibre reinforced polymer composites

• Autorzy: Bieniaś J. , Surowska B. , Jakubczak P.

Warianty tytułu

PL

Wpływ uderzeń wielokrotnych na rozwój uszkodzenia kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The study presents the problems of the influence of repeated low velocity and low energy impacts on damage growth in carbon and glass fibre reinforced high strength polymer composite. The laminate response to impacts was analyzed, the types of damages and their interrelations were identified as well as damages mechanisms were described for tested laminates subjected to repeated impacts. The following conclusions have been drawn on the basis of completed tests: (1) composite materials with polymer matrix reinforced with continuous glass and carbon fibres demonstrate limited resistance to repeated impacts. The laminates resistance to impacts depends mainly on the properties and type of components, particularly in case of reinforcing fibres, orientation of layer under the influence of external impact; (2) tested laminates with carbon fibres are characterized by lower resistance to repeated impacts than laminates with glass fibres. This is proved by the curves of laminate response to impacts, wider damage area and tendency to laminate structure perforation as a result of repeated impacts; (3) repeated impacts lead to damage growth mainly through propagation of damage initiated in initial impacts phase. Delaminations and matrix cracks belong to the basic mechanisms of damages in composite materials; (4) composite damage propagates with increasing number of impacts in fibres orientation direction, particularly in lower composite layers. Further impacts may result in higher stress concentration and higher initiation energy causing the damage growth in various areas of the material. Further impacts increase the damage leading to gradual growth of damages initiated before.

PL

W pracy przedstawiono problematykę wpływu powtarzających się uderzeń o niskiej prędkości i niskiej energii na rozwój uszkodzenia wysokowytrzymałych kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknem węglowym oraz szklanym. Dokonano analizy odpowiedzi laminatu na uderzenia, zidentyfikowano rodzaj i relacje pomiędzy uszkodzeniami, a także przedstawiono mechanizmy uszkodzenia w badanych laminatach poddanych wielokrotnym uderzeniom. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano że: (1) materiały kompozytowe o osnowie polimerowej wzmacniane ciągłymi włóknami szklanymi i węglowymi wykazują ograniczoną odporność na wielokrotne uderzenia. O odporności laminatów na uderzenia decydują głównie właściwości i rodzaj komponentów, w szczególności włókien wzmacniających, orientacja warstw pod wpływem oddziaływania zewnętrznego; (2) badane laminaty z włóknami węglowymi charakteryzują się niższą odpornością na wielokrotne uderzenia w porównaniu do laminatów z włóknem szklanym. Świadczą o tym charakterystyki odpowiedzi laminatu na uderzenia, większy obszar uszkodzenia oraz skłonność do perforacji struktury laminatu w wyniku wielokrotnych uderzeń; (3) uderzenia wielokrotne powodują rozwój uszkodzenia głównie przez propagację uszkodzenia inicjowanego w czasie początkowych uderzeń. Do podstawowych mechanizmów uszkodzenia materiałów kompozytowych należą rozwarstwienia oraz pęknięcia osnowy; (4) wraz ze wzrostem liczby uderzeń uszkodzenie kompozytu propaguje w kierunku ułożenia włókien, szczególnie dolnych warstw kompozytu. Kolejne uderzenia mogą powodować większą kumulację naprężeń oraz energii inicjacji odpowiedzialnej za rozwój uszkodzenia w różnych obszarach materiału. Kolejne uderzenia powodują zwiększanie uszkodzenia prowadząc do stopniowego rozwoju wcześniej zainicjowanych uszkodzeń.

Słowa kluczowe

EN

composites; repeated impact; NDT; damage

PL

kompozyt; uderzenia; badania nieniszczące; uszkodzenie

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 2
• Strony: 194--198
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

• Department of Materials Engineering Mechanical Faculty Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Surowska B.

• Department of Materials Engineering Mechanical Faculty Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Jakubczak P.

• Department of Materials Engineering Mechanical Faculty Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. Abrate S. Impact on composite structures. Cambridge University Press 1998. Chaper 4, Low-Velocity impact damage; 135-160.
• 2. Atas C., Sayman O. An overall view on impact response of woven fabric composite plates. Composite Structures 2008; 82: 336-345, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2007.01.014.
• 3. Aktas M., Atas C., Icten B.M., Karakuzu R. An experimental investigation of the impact response of composite laminates. Composites Structures 2009; 87: 307-313, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2008.02.003.
• 4. ASTM D7136. Standard test metod for measuring the damage resistance of a fiber-reinforced-polymer matrix composites to a drop-weight impact event. Book of Standards, Volume 15.03, (2005).
• 5. Aymerich F., Priolo P. Characterization of fracture modes in stiched and unstiched cross-ply laminates subjected to low-velocity impact and compression after impact loading. International Journal of impact Engineering 2008; 35: 591-608, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2007.02.009.
• 6. Beaumont P.W.R., Riewald P.G., Zweben C. Methods for improving the impact resistance of composite materials, in Foreign object impact damage to composites. ASTM STP 568, American Society for Testing and Materials 1974; 134-158.
• 7. Bieniaś J., Dębski H. Numeryczna analiza tarcz kompozytowych zbrojonych włóknami szklanymi i węglowymi w warunkach złożonego stanu obciążenia. Kompozyty (Composites) 2010; 10:2: 127-132.
• 8. Cantwell W.J., Curtis P., Morton J. An assessment of the impact performance of CFRP reinforced with high strain carbon fibres. Composite Science and Technology 1986; 25: 133–148, http://dx.doi.org/10.1016/0266-3538(86)90039-4.
• 9. Chakraborty D. Delamination of laminated fibre reinforced plastic composites under multiple cylindrical impact. Materials and Design 2007; 28: 1142-1153, http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2006.01.029.
• 10. Found M.S., Howard I.C. Signle and multiple impact behavior of a CFRP laminate. Composite Structures 1995; 32: 159-163, http://dx.doi.org/10.1016/0263-8223(95)00024-0.
• 11. González E.V., Maimí P., Camanho P.P., Lopes C.S., Blanco N. Effects of ply clustering in laminated composite plates under low-velocity impact loading. Composites Science and Technology 2011; 71: 805–817, http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2010.12.018.
• 12. Guan Z., Yang Ch. Low-velocity impact and damage process of composite laminates. Journal of Composite Materials 2002; 36: 851-871, http://dx.doi.org/10.1177/0021998302036007512.
• 13. Hyla I., Lizurek A. Zastosowanie badań dynamicznych do analizy mechanizmu pękania udarowego kompozytów warstwowych. Kompozyty (Composites) 2002; 2: 374-377.
• 14. Karakuzu R., Erbil E., Aktas M. Damage prediction in glass/epoxy laminates subjected to impact loading. Indian Journal of Engineering and Materials Sciences 2010; 17: 186-198.
• 15. Kim G., Hong S., Jhang K.Y., Kim G.H. NDE of low-velocity impact damage in composite laminates using ESPI, digital shearography and ultrasound C-scan techniques. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing 2012; 13: 869-876, http://dx.doi.org/10.1007/s12541-012-0113-4.
• 16. Liu D., Raju B.B., Dang X. Impact perforation resistance of laminated and assemled composite plates. International Journal of impact Engineering 2000; 24: 733-746, http://dx.doi.org/10.1016/S0734-743X(00)00021-X.
• 17. Morais W.A., Monteiro S.N., d'Almeida J.R.M. Evaluation of repeated low energy impact damage in carbon–epoxy composite materials. Composite Structures 2005; 67: 307–315, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2004.01.012.
• 18. Rajkumar G.R., Krishana M., Narasimha Murthy H.N., Sharma S.C., Vishnu Mahesh K.R. Investigation of repeated low-velocity impact behaviour of GFRP/Aluminium and CFRP/Aluminium laminates. International Journal of Soft Computung and Engineering 2012; 1(6): 50-58.
• 19. Richardson M.O.W., Wisheart M.J. Review of low-velocity impact properties of composite materials. Composites Part A 1996; 27: 1123-1131, http://dx.doi.org/10.1016/1359-835X(96)00074-7.
• 20. Sánchez-Sáez S., Barbero E., Navarro C. Compressive residual strength at low temperatures of composite laminates subjected to lowvelocity impacts. Composite Structures 2008; 85: 226–232, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2007.10.026.
• 21. Shyr T.W., Pan Y.H. Impact resistance and damage characteristics of composite laminates. Composite Structures 2003; 62: 193-203, http://dx.doi.org/10.1016/S0263-8223(03)00114-4.
• 22. Sohn M.S., Hu X.Z., Kim J.K., Walker L. Impact damage characterisation of carbon fibre/epoxy composites with multi-layer reinforcement. Composites: Part B 2000; 31: 681-691, http://dx.doi.org/10.1016/S1359-8368(00)00028-7.
• 23. Tai N.H., Yipa M.C., Lin J.L. Effects of low-energy impact on the fatigue behavior of carbon/epoxy composites. Composite Science and Technology 1998; 58: 1-8, http://dx.doi.org/10.1016/S0266-3538(97)00075-4.
• 24. Yang F.J., Cantwell W.J. Impact damage initiation in composite materials. Composite Science and Technology 2010; 70: 336–342, http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.11.004.
• 25. Vogelesang L.B., Vlot A.. Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures. Journal of Materials Processing Technology 2000; 103: 1-5. http://dx.doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00411-8.
• 26. Wang S.X., Wu L.Z., Ma L. Low-velocity impact and residual tensile strength analysis to carbon fiber composite laminates. Materials Design 2010; 31: 118–125, http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2009.07.003.